[发明专利]一种钛锆铌铁形状记忆合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于形状记忆合金技术领域，涉及一种钛锆铌铁形状记忆合金材料，通过在钛锆铌基合金中添加铁，可以在较大的温度范围内调整合金的马氏体相变温度，提高合金的形状记忆性能，获得较大的相变超弹性。

背景技术

TiNi形状记忆合金以其独特的形状记忆效应和超弹性，在生物医用、工业和生活等众多领域得到应用。但是溶出的Ni离子具有细胞毒性，易引起人体过敏反应，因此发展新型无Ni形状记忆合金成为当今研究热点之一。

二元TiZr合金具有较好综合高温性能，其马氏体相变温度随合金成分的不同可以在600℃~880℃范围内变化，并且具有最大1%的高温形状记忆性能。申请号为2006101134437的专利申请文件中公开了一种钛锆铁形状记忆合金材料，该合金材料由原子百分比为40%～60%的钛、40%～55%的锆和0.2～5%的铁组成。该合金材料室温屈服强度较低，仅为150～300MPa，形状记忆效应约1.1%，在室温条件下不具有超弹性。申请号为2007101755085的专利申请文件中公开了一种钛锆铌锡高温形状记忆合金材料及其制备方法，所述材料由30～40at%的锆、0.2～10at%的铌、5~10at%的锡和余量的钛组成，上述各成份的含量之和为100%。该合金形状记忆效应稍有提高，约1.5%，室温屈服强度为350～750MPa，也未见室温超弹性的报道。而良好的形状记忆效应和室温超弹性是功能性生物材料重要的特征，在生物医用领域具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，在Ti-20Zr-10Nb(at.%)合金基础上，添加合金元素Fe，从而制得了具有良好的形状记忆效应和超弹性性能的四元钛锆铌铁形状记忆合金。一方面，本发明提供的形状记忆合金可以在较大温度范围（-50~650℃）内调整马氏体相变温度，其最大形状记忆效应可达4.1%，明显高于Ti-20Zr-10Nb合金；另一方面，在室温条件下具有较好的超弹性，最大为3.1%。本发明提供的一种钛锆铌铁形状记忆合金材料，由原子百分比为10%~40%的锆(Zr)、5%~20%的铌(Nb)、0.1%~10%的铁(Fe)和余量的钛(Ti)组成，并且上述各成分的含量之和为100%。其中Fe的含量优选为0.5at.%~5at.%；进一步优选为0.5at.%～3at.%。优选实施例中，所述的钛锆铌铁形状记忆合金材料为Ti₇₀Zr_20-xNb₁₀Fe_x，0.5≤x≤1.0。

所述的钛锆铌铁形状记忆合金，其具体成份组成如下表1所示：

表1优选实施例合金组分

所述的钛锆铌铁形状记忆合金，其马氏体相变温度为-50℃~650℃，形状记忆效应为3%~4.1%，室温超弹性为2.1%~3.1%；在室温的屈服强度为540~1000MPa，延伸率为11%~30%。

本发明还提供一种钛锆铌铁形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤：

第一步：按照钛锆铌铁形状记忆合金材料的成分配比称取原料。

第二步：将上述称取的钛、锆、铌和铁原料进行真空熔炼，条件为抽真空至2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1×10⁴～3×10⁴Pa，在1700°C～2000°C熔炼成钛锆铌铁形状记忆合金锭材；

第三步：将上述制得的钛锆铌铁形状记忆合金锭材放于真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，热处理温度800°C～900°C保温1~2小时，然后水中淬火，即得到本发明的钛锆铌铁形状记忆合金材料。

本发明钛锆铌铁形状记忆合金材料的优点：

1、在钛锆铌基合金的基础上，添加合金元素Fe，以实现宽范围的马氏体相变温度调整，该类合金的马氏体相变温度范围为-50℃~650℃。

2、本发明的钛锆铌铁形状记忆合金材料形状记忆性能高，最大形状记忆效应为4.1%。

3、本发明的钛锆铌铁形状记忆合金材料在室温条件下具有良好的超弹性，最大室温超弹性3.1%，屈服强度为540MPa~1000MPa，延伸率11~30%。